1
A Solução de Problemas com Harmônicos em um Cliente
Industrial: Uma Cooperação entre Concessionária e Consumidor
Flávio R. Garcia(*), Tércio dos Santos e Alexandre C. Naves – SADEFEM S/A
Ernesto A. Mertens, Vinicius M. Benichio e Luis F. S. Dias – ELEKTRO S/A
Resumo – Este artigo tem por objetivo mostrar os resultados
obtidos pelas medições e estudos de harmônicos realizados, tanto
pela concessionária de energia e quanto pelo consumidor através
de uma consultoria contratada, em uma planta industrial
fabricante de embalagens de papel. Este consumidor teve sérios
problemas de correção de fator de potência utilizando bancos de
capacitores comuns em função das cargas eletrônicas
(onduladeiras, máquinas de papel, picadores, etc.) instaladas e
pelo aumento significativo da demanda contratada em um
sistema elétrico radial e distante da subestação alimentadora.
Este trabalho procurará abordar todos os aspectos técnicos
analisados na busca de uma solução técnica conjunta para os
problemas de correção do Fator de Potência em um ambiente
contaminado pelas componentes harmônicas geradas pelas
cargas.
As medições preliminares realizadas pela concessionária de
energia no PAC (figuras de 1 a 4 abaixo) demonstraram os
seguintes resultados de tensão, corrente, distorção harmônica
total de tensão e distorção harmônica total de corrente no
alimentador da referida instalação:
Palavras-Chave – Fator de Potência, Harmônicos, Cargas
Eletrônicas, Nível de Curto-circuito, Medições e Simulações
Computacionais.
O
I. INTRODUÇÃO
Sistema elétrico em discussão neste artigo é formado por
uma linha de distribuição de 13,8 kV com 18 km de
extensão desde a subestação até o PAC com o consumidor. As
cargas do consumidor são distribuídas em nove cabines com
transformadores abaixadores para as tensões de 380/220V e
220/127V, descritas a seguir: Cabine 01 – Acabamento,
Cabine 02 – Onduladeiras, Cabine 03 – Máquina de Papel I,
Cabine 04 – Desagregação, Cabine 05 – Caldeira, Cabine 06 –
Máquina de Papel II, Cabine 07 – Picador, Cabine 08 – TAR,
Cabine 09 – Administração/Portaria. Uma grande parte das
cargas existentes na instalação tem características não-lineares
e geram componentes harmônicos que estão causando
problemas de queima dos bancos de capacitores instalados
para a correção do fator de potência da instalação, bem como
gerando níveis de distorção harmônica elevada na barra de
13,8 kV. Problemas na operação das cargas também foram
relatados pelos técnicos da empresa em estudo.
Figura 1 – Tensões RMS no 13,8 kV
Figura 2 – Correntes RMS no 13,8 kV
II. DADOS TÉCNICOS E MEDIÇÕES REALIZADAS ANTES DA
INSTALAÇÃO DA SOLUÇÃO RECOMENDADA:
As seguintes informações técnicas foram obtidas durante as
medições e levantamento de dados em campo, para o sistema
alimentador e para as cargas conectadas.
A – Medições no Sistema Alimentador da ELEKTRO:
- Tensão do Alimentador:
13,8 kV
- Potência de Curto-Circuito: 21 MVA – 85º
Figura 3 – DHV(%) no 13,8 kV
2
parte da potência reativa instalada já estava comprometida,
provavelmente pela presença de harmônicos e das
ressonâncias geradas pela interação entre capacitor e o sistema
elétrico.
Os capacitores encontrados na instalação utilizavam
tecnologia PPM que possui valores baixos de suportabilidade
aos harmônicos de tensão (DHV ≤ 3%) e de corrente (DHI ≤
15%), com base na experiência de campo de fabricantes
nacionais de capacitores com este tipo de tecnologia
empregada.
Tabela II – Medições de Energia nos Capacitores.
Figura 4 – DHI (A) no 13,8 kV.
As medições mostradas acima demonstram níveis elevados de
distorção harmônica total de tensão (figura 3), acima dos
limites recomendados pela IEEE-519/1992 e pela
ANEEL/ONS, apesar de injeção harmônica de corrente no
13,8 kV não apresentar valores elevados. Tal fato justificou a
realização de estudos e medições de harmônicos visando à
redução de tais níveis de distorção.
B – Sistema Elétrico Industrial:
O sistema elétrico da planta industrial fabricante de
embalagens de papel, com os resultados das medições de
energia realizadas, está mostrado na tabela I a seguir:
Tabela I – Medições e Informações sobre o Sistema
Elétrico em Estudo
1
1.000,00
15,00
28,85
52i
8 - TAR
1
225,00
47,84
58,34
82i
Fator de Potência
120
100
80
7.603,72 86,55%
Fator de Potência
40
20
Medições de 15 em 15 minutos
Figura 6 – Fator de Potência.
2817
2729
2641
2553
2465
2377
2289
2201
2113
2025
1937
1849
1761
1673
1585
1497
1409
1321
1233
1145
1057
969
881
793
705
617
529
0
441
Apesar da instalação recente dos bancos de capacitores o
fator de potência em vários pontos da instalação continua
abaixo dos 0.92 comprometendo a correção global no PAC e
gerando pesadas “multas” por baixo FP.
As medições realizadas nos bancos de capacitores,
mostradas na tabela II a seguir, demonstraram que grande
60
353
6.581,22
89
19.342,50
Figura 5 – Demanda em kW
265
30,00
20
Medições de 15 em 15 minutos
FP
1
TOTAL
2823
7 - PICADOR
2740
79i
2657
316,46
2574
250,00
2491
750,00
2408
3
0
2325
90i
96i
93i
97i
81i
90i
2242
212,63
98,23
292,04
375,15
1.201,54
22,22
2159
191,37
94,30
271,60
363,90
973,25
20,00
2076
500,00
500,00
2.000,00
1993
1
0
1 (3200A)
1 (2500A)
2 (3200A)
2 (630A)
1000
1910
79i
1827
1.162,52
1744
918,39
1661
2.000,00
1578
3
2000
1495
85i
81i
88i
1412
548,54
758,33
766,03
Demanda
3000
1329
466,26
614,25
674,11
4000
1246
1.000,00
1.500,00
1.500,00
5000
997
6
1
2
6000
1163
100
90c
93i
95i
97i
92i
Demanda em kW
7000
914
160,93
27,28
309,17
532,91
171,23
313,41
9 - PORTARIA
FP %
831
160,93
24,55
287,53
506,26
166,09
288,34
A análise da memória de massa do medidor de energia da
ELEKTRO, mostrada nas figuras 5, 6 e 7 abaixo demonstrou a
necessidade de reativos globais visando à correção do FP para
valores superiores a 0.92, além dos bancos de capacitores já
instalados:
1080
1.000,00
225,00
1.000,00
1.500,00
500,00
500,00
A – Estudos de Fator de Potência:
748
1
1
2
3
4
5
KVAr
Efetivo
III – ESTUDOS REALIZADOS:
665
100
4 – Desagregação
5 – Caldeira
TOTAL
582
182,95
3 – MPI
499
182,95
3.000,00
65,56
0
85,58
37,62
0
29,04
106,7
91,3
476,52
416
500,00
6 - MP II
60,72
97
0
123
63
0
51
161
135
333
99i
2
5 - CALDEIRA
89
101
0
115
56
0
32
165
143
84
64,95
4 - DESAGREGAÇÃO
95
100
0
151
52
0
49
159
137
250
64,30
3 - MP I
92
110
185
130
180
110
125
150
120
1.350,00
167
KVA
112,50
2 - ONDULADEIRA
240
1
2
3
4
5
6
2
1
20
177
1
CARGA ATUAL
KW
1 – ACABAMENTO
2
2 – Onduladeira
kW
POT KVA
1 – Acabamento
1
TRAFO
KVAr
Instalados
1
CABINE
Correntes Medidas nos Capacitores Existentes
FASE A (A)
FASE B (A)
FASE C (A)
TRAFO
CABINE
3
Necessidade de Reativos para FP=0,95
2000
1800
1600
1400
kvar
1200
1000
kvar FP=0,95
800
600
400
200
2839
2753
2667
2581
2495
2409
2323
2237
2151
2065
1979
1893
1807
1721
1635
1549
1463
1377
1291
1205
947
1119
861
1033
775
689
603
517
431
345
87
259
173
1
0
Figura 7 – Necessidade de Reativos para FP > 0,92
Figura 8 – Diagrama unifilar utilizado nas simulações
computacionais de fluxo de carga e fluxo de harmônicos.
A necessidade de 1800 kvar definida para a correção de FP,
deve ser somada aos valores dos kvar referentes aos bancos de
capacitores já existentes (715 kvar). A distribuição destes
reativos por cabine de transformação está demonstrada na
Tabela III a seguir:
Foram realizadas simulações computacionais de fluxo
harmônicos no sistema elétrico da fábrica de embalagens de
papel, e os seguintes resultados de distorção harmônica total
de tensão e curvas de impedância harmônica foram obtidos
(figuras 8 a 13):
Medições de 15 em 15 minutos
Tabela III – Necessidade de Reativos para FP > 0,92
a) Com os bancos de capacitores existentes medidos;
ESTUDO DE ALOCAÇÃO DE REATIVOS
CABINE
1 - ACABAMENTO
2 - ONDULADEIRA
3 - MP I
4DESAGREGAÇÃO
TRAFO
POT KVA
KVAR
1
2
1
1
2
3
4
5
6
1
2
112,5
500
1.000,00
225
1.000,00
1.500,00
500
500
1.000,00
1.500,00
1.500,00
0
0
50
0
250
120
0
75
250
300
250
3
2.000,00
500
1
500
50
0
500
0
1
3000
50
6 - MP II
2
2.000,00
500
3
750
150
7 - PICADOR
1
1.000,00
0
8 - TAR
1
225
20
9 - PORTARIA
1
30
0
Obs: Todos os bancos de capcitores existentes
deverão ser retirados de operação
Figura 9 – Distorção harmônica total de tensão no 13,8 kV
com os bancos de capacitores existentes.
5 - CALDEIRA
B – Estudos de Fluxo de Harmônico:
Em função dos problemas já ocorridos com bancos de
capacitores “puros” instalados anteriormente, estudos de
harmônicos foram realizados visando à busca de soluções que
permitissem a correção do fator de potência e proteção de
equipamentos e sistemas contra a ocorrência de ressonâncias
harmônicas em freqüências “perigosas”.
Figura 10 – Impedância harmônica versus a frequência no na
barra de 13,8 kV.
Nota: Valores muito próximos às distorções harmônicas de
tensão medidas pela concessionária no 13,8 kV (P95%),
refletem que os modelos utilizados nos estudos estão
próximos das condições reais em campo.
b) Com a instalação dos reativos para a correção do FP através
de filtros de harmônicos de dessintonia.
4
IV – RESULTADOS DAS MEDIÇÕES APÓS A INSTALAÇÃO DOS
FILTROS DE DESSINTONIA PARA CORREÇÃO DO FP:
As medições mostradas nas figuras 14 a 18 a seguir foram
realizadas na barra de 13,8 kV, pela concessionária de energia
após a substituição dos bancos de capacitores por filtros de
dessintonia (em 02/08/2005) visando à correção do FP da
fábrica de embalagens de papel. As medições foram realizadas
no período de 12/07/2005 a 31/08/2005.
15500
Figura 11 – Diagrama Unifilar com a Correção do Fator de
potência através de Filtros de Dessintonia (222 Hz).
15000
14500
14000
13500
25.08.2005
27.08.2005
29.08.2005
31.08.2005
27.08.2005
29.08.2005
31.08.2005
23.08.2005
25.08.2005
21.08.2005
19.08.2005
17.08.2005
15.08.2005
13.08.2005
11.08.2005
09.08.2005
07.08.2005
05.08.2005
03.08.2005
01.08.2005
30.07.2005
28.07.2005
26.07.2005
24.07.2005
22.07.2005
20.07.2005
18.07.2005
16.07.2005
14.07.2005
12500
12.07.2005
13000
Figura 14 – Perfil de Tensão no 13,8 kV
p
350
300
Figura 12 – Distorção harmônica total de tensão no 13,8 kV
com os filtros de dessintonia – 222 Hz.
250
200
150
100
23.08.2005
21.08.2005
19.08.2005
17.08.2005
15.08.2005
13.08.2005
11.08.2005
09.08.2005
07.08.2005
05.08.2005
03.08.2005
01.08.2005
30.07.2005
28.07.2005
26.07.2005
24.07.2005
22.07.2005
20.07.2005
18.07.2005
16.07.2005
14.07.2005
0
12.07.2005
50
Figura 15 – Perfil de Corrente no 13,8 kV
P e rfil d e ativ o (W ) e re ativ o (V A r)
T o ta l W
T o ta l V a r
6000000
5000000
Figura 13 – Impedância harmônica versus a frequência no na
barra de 13,8 kV.
4000000
3000000
2000000
A análise dos resultados dos estudos acima mostrados
(figuras 11, 12 e 13) indica que a substituição dos bancos de
capacitores “puros” existentes por filtros de dessintonia,
reduziu as várias ressonâncias harmônicas existentes a uma
única, definida em uma faixa de freqüência não perigosa para
o sistema elétrico em estudo.
Esta transformação dos bancos de capacitores em filtros de
dessintonia levou a uma significativa redução nas distorções
harmônicas de tensão na barra de 13,8 kV e, por conseguinte,
em todas as barras internas da fábrica de embalagens de papel,
pois eliminou as ressonâncias geradas pelos bancos de
capacitores inicialmente instalados.
1000000
0
Figura 16 – Potência Ativa e Potência Reativa
Figura 17 – Fator de Potência da Instalação.
5
15
12
9
6
31.08.2005
29.08.2005
27.08.2005
25.08.2005
23.08.2005
21.08.2005
19.08.2005
17.08.2005
15.08.2005
13.08.2005
11.08.2005
09.08.2005
07.08.2005
05.08.2005
03.08.2005
01.08.2005
30.07.2005
28.07.2005
26.07.2005
24.07.2005
22.07.2005
20.07.2005
18.07.2005
16.07.2005
14.07.2005
0
12.07.2005
3
Figura 18 – Distorção harmônica total de tensão (%)
na barra de 13,8 kV
As figuras acima demonstram uma sensível melhora nos
níveis de distorção harmônica de tensão na barra de 13,8 kV
da concessionária, bem como a correção do FP da instalação
para valores acima de 0,92 sem danificar os equipamentos de
compensação reativa fornecidos (filtros de dessintonia).
V – EFEITOS
DA
INTERAÇÃO
ENTRE
OS
FILTROS
podem ser mencionadas:
- A correção de fator de potência em sistemas elétricos com
baixo nível de curto-circuito deve ser feita com muito critério
tendo em vista a ocorrência de ressonâncias em freqüências
consideradas críticas como 180, 300, 420 e 660 Hz.
- A utilização de filtros harmônicos dessintonizados em
freqüências definidas através de um estudo de fluxo
harmônico criterioso, permite que a correção do fator de
potência seja feita de forma segura, sem que ressonâncias
sejam geradas e que o equipamento de compensação reativa
perca vida útil prematuramente.
- A utilização de estágios fixos para correção do fator de
potência deve contemplar dispositivo para evitar os efeitos da
interrupção de energia com a re-energização dos
transformadores estando os capacitores carregados e desta
forma evitar sobretensões indesejáveis e danos aos
equipamentos.
VII - REFERÊNCIAS:
DE
DESSINTONIA E O SISTEMA ELÉTRICO.
No início da operação dos filtros de dessintonia, alguns
problemas de sobretensão na operação em condições de baixa
carga ocorreram entre os estágios fixos e o sistema elétrico,
como pode ser observado nos finais de semana nas medições
acima, com aumento das tensões rms e das distorções
harmônicas de tensões.
Tais problemas, causados pela existência de estágios fixos
quando da ocorrência de interrupções de energia ou
desligamento/energização dos transformadores, causavam
sobretensões excessivas na baixa tensão. Tal fato levou a
ocorrência de arcos voltaicos nas chaves seccionadoras com
os fusíveis de proteção dos estágios fixos dos filtros de
dessintonia.
Estes estágios foram fornecidos de forma fixa, conforme
solicitação do cliente, visando à correção do fator de potência
dos transformadores que operavam praticamente a vazio nos
finais de semana.
O trabalho conjunto entre a concessionária, fabricante dos
filtros de dessintonia e o cliente trouxe a solução do problema
das sobretensões, com o automatismo dos estágios fixos, de
forma a viabilizar o desligamento dos mesmos quando da
ocorrência de interrupções no suprimento de energia. Este
automatismo visa permitir a entrada em operação destes
estágios 60 segundos após a volta da tensão na barra de BT.
Este tempo é suficiente para eliminação de quaisquer
transitórios de tensão e, por conseqüência, evitando-se dessa
forma, que eventuais sobretensões pudessem ocorrer nos
equipamentos de compensação reativa no momento de retorno
da energia.
VI. CONCLUSÕES
Com base em todos os resultados de medições em campo,
estudos e simulações computacionais, as seguintes conclusões
Documentos:
[1]
[2]
Relatório SADEFEM - Estudos de Harmônicos de Correção do Fator de
Potência para Fábrica de Embalagens de Papel – Maio de 2005;
Relatórios Elektro – Análise de Medição para o Cliente “Fábrica de
Embalagens de Papel” – Setembro de 2005 e Maio de 2006.
Normas:
[3]
[4]
IEEE Std 519-1992: IEEE Recommended Practices and Requirements
for Harmonic Control in Electrical Systems” – April, 12th, 1992.
IEEE Std 1531-2003 - Guide for Application and Specification of
Harmonic Filters, November, 24th, 2003.
VIII - BIOGRAFIA
Flávio Resende Garcia graduou-se em Engenharia
Elétrica em Julho de 1988 e obteve o título de Mestre
em Harmônicos e Cargas Elétricas Especiais em Maio
de 1992. Sua experiência profissional inclui empresas
como INEPAR (1992-2002), LACTEC (2002-2003),
IESA (2003-2006) e SADEFEM (2006-atual)
desenvolvendo estudos técnicos nas áreas de Qualidade
de Energia Elétrica, Eficiência Energética e
Compensação Reativa e participando projetos de
P&Dem conjunto com Universidades e Institutos de
Pesquisa e Desenvolvimento.
Ernesto A. Mertens é engenheiro eletricista formado
em 1983 pela Faculdade de Engenharia São Paulo. De
1986 a 1998, trabalhou na CESP – Companhia
Energética de São Paulo, na diretoria de Distribuição,
tendo exercido atividades nas áreas de Planejamento,
Operação, Projetos e Obras. Após a privatização da
CESP, passou a exercer suas atividades na ELEKTRO
Eletricidade e Serviços S.A. Atualmente exerce suas
atividades na Engenharia, atuando especificamente na
área de Qualidade de Energia; Está realizando curso de
pós-graduação em Planejamento Energético na
UNICAMP.
6
Luis Fernando Souza Dias - Formado na Escola
Técnica Industrial João Batista de Lima Figueiredo,
Mococa - SP, em 1977. De 1978 a 1993, trabalhou na
CESP – Companhia Energética de São Paulo, Na
diretoria de Geração e Transmissão, tendo exercido
atividades nas áreas de manutenção de grupos
geradores e subestações; Após a privatização da CESP,
passou a exercer suas atividades na ELEKTRO
Eletricidade e Serviços S.A. De 1993 até a presente
data exerce suas atividades na Engenharia, atuando
especificamente na Área de Qualidade de Energia.
Tércio dos Santos - Formado na Escola Técnica
Colégio Flamingo em 1985, técnico em eletroeletrônica, trabalhando em empresas como ITEL,
INEPAR, IESA. Atualmente trabalha na SADEFEM
como técnico de aplicação de capacitores realizando
levantamentos de dados e medições de energia e
harmônicos, bem como estudos técnicos para a
definição e instalação de bancos de capacitores e
filtros de harmônicos em baixa e média tensão no ramo
industrial.
Alexandre Carvalho Naves, com graduação pela
Universidade Federal de Uberlândia em 1999 e pósgraduação em Qualidade e Racionalização de Energia
Elétrica em 2000. Trabalhou em empresas como
INEPAR e IESA desde 2001 e atualmente trabalha na
SADEFEM S/A na área de engenharia de aplicação em
produtos de compensação reativa realizando estudos e
medições nas áreas de qualidade de energia elétrica,
harmônicos e compensação de reativos em série e em
paralelo.
Vinícius Marques Benichio – Graduado em
Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de
Uberlândia em 1991, e MBA em Gerência de Projetos
de pela FGV em 2004, trabalhou nas empresas CEMIG,
CESP e na ELEKTRO onde atualmente exerce suas
atividades como Consultor de Engenharia nas áreas de
Qualidade de Energia Elétrica, Proteção de Sistemas
Elétricos e Equipamentos para a Distribuição de
Energia Elétrica.